风机基础金属环抗拔性能试验研究

刘锡军，孔德伟，张少桦，徐 云

（湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201）

风力发电机组的塔筒与基础构成风力发电机组的支撑结构［1－2］，将风力发电机支撑于60～100m高空，以获得充足、稳定的风力发电.风机基础主要有金属环和混凝土组成，由于目前对于倒T形型钢混凝土构件还没有相应的设计规范，对钢环的埋置深度缺乏必要的理论依据和试验验证.为了确定风机基础金属环的合理埋置深度，本文依据《钢筋混凝土设计规范》［3－5］确定的钢筋锚固长度，初步确定风机基础金属环的埋深，制作2组简化风机基础模型试件，根据实验结果，分析了金属环与混凝土的粘结应力分布，提出合理的金属环埋设深度，揭示了结构受力的合理性和安全性，本文的研究成果对风机基础钢混组合结构的结构设计具有重要的参考和实用价值.

1 模型设计及试验概况

风机基础金属环埋设深度直接决定了风机基础受力作用下的粘结应力分布和破坏机理，埋置深度过大，造成不必要的材料浪费，埋设深度过小，容易造成风机金属环拉拔掀起破坏，因此合理的确定埋设深度对于风机基础设计十分重要.

1.1 模型试验数据设计

1.1.1 抗拔钢板应力的确定

根据某风电场提供的风机荷载及筒体钢板厚度，计算筒体工作应力

已知：基础顶部内力M＝60708kN·m，V＝847.6kN，N＝3335.3kN，筒体外径D＝4300mm，筒体壁厚t＝34mm，计算筒体最大应力值.

根据计算，筒体最大拉应力为－118.63MPa.

1.1.2 抗拔钢板最大抗拔力及千斤顶选用确定

根据试验条件初步确定抗拔钢板厚度10mm（设计厚度的1／3～1／4），宽度50mm，钢材最大应力取钢材的抗拉平均强度：

根据钢材强度设计值与标准值的关系，钢材均方差：

根据钢材设计强度与平均强度的关系

钢板截面为10mm×50mm，钢板最大拉力

1.2 确定钢板锚固长度

钢板的锚固长度参照《混凝土结构设计规范》（GB50010－2010）光圆钢筋锚固长度计算公式确定，按钢板表面积相等的原则换算成钢筋直径计算［1］.规范规定钢筋的基本锚固长度按下列公式计算：

其中lab－受拉钢筋的基本锚固长度；d－锚固钢筋的直径；fy－普通钢筋的抗拉强度设计值；ft－混凝土轴心抗拉强度设计值，取1.43N／mm2；α为锚固钢筋的外形系数，光圆钢筋外形系数取值α＝0.16.

等效钢筋直径：

（1）钢板周长为μ＝2（10＋100）＝220mm，

为了测试到抗拔试验中的粘结滑移，取计算锚固长度的0.8倍作为埋置深度，即：lab＝0.8×1645＝1316mm

（2）钢板周长为μ＝2（10＋50）＝120mm，

按材料平均强度值计算

为了测试到抗拔试验中的粘结滑移，近似取计算锚固长度最小值作为埋置深度，即：

lab＝600mm，取埋置深度700mm.

1.3 试验概况

试验简图，如图1.钢板正面从底边开始每隔10 cm粘贴一个应变片，反面每隔30cm粘贴，用以校核应变片数值，然后用环氧树脂封盖并引出导线，混凝土浇捣过程中不得损伤引出线，混凝土浇捣前后量测应变片电阻值是否正常，用以测量钢板沿锚固长度的应变.测量型钢沿锚固长度的采用重复加载的方法，用静态应变测试仪系统采集试验数据，并绘制钢板受力应变曲线，根据最大抗拔力确定选用30 t千斤顶作为加力设备，以荷载控制，每级荷载以10 kN为一级向上递增.

2 实验结果与计算值的比较

本次试验通过在加载过程中对钢板的应变实测值来分析钢板的抗拔性能，如表1所示.实测的曲线如图3所示.

表1 实测各点应变及三线图

图3 各级荷载作用下钢板应力分布规律

曲线随荷载的增大越加陡峭饱满，而型钢仍处于弹性阶段，曲线呈指数变化.型钢混凝土结构是型钢与混凝土这两种性质不同的材料通过粘结应力共同工作的.钢板抗拔力与钢筋与混凝土之间的粘结力相似［6－8］，由3部分组成：型钢在滑动之前主要取决于混凝土中的水泥凝胶体在型钢表面产生的化学胶结力、产生滑移后周围混凝土与型钢接触面上的摩阻力和型钢表面状况与混凝土的机械咬合力.

在实验中通过对钢板上应变片的测量可以得到各个测点处的应变值，以两个测点之间的平均粘结应力计算，根据表1，对应测点间距为Δl，由实测的两测点ε差可以算出平均粘结应力，它正好对应测段中间点处的τ值.

式中dT为dx长度上的两端的拉力差，S为钢板截面的周长，A为钢板的净截面积，dε为两应变片之间的应变差，dx为应变片之间的距离.

由此算出各侧段粘结应力如表2所示，粘结应力分布如图4所示.

表2 各测段平均粘结应力各测段平均粘结应力（MPa）

图4 各测段粘结应力分布图

3 结 论

随着拉拔力的增加，其应变值有不同程度的增大，同一级拉拔力下，随着远离加载端，应变值逐渐变小.试件从开始加载，其钢板的应力应变值不是很大，最大的应力值均未达到最高值，在拉拔力较小时，自由端的应变基本上为零，随着拉拔力的增大，粘结力的传递使自由端逐步向内发展，呈曲线分布，粘结应力没有显著下降，因此按照目前光圆钢筋锚固长度的计算方法确定钢板的锚固长度是可行的.

［1］王 浩，王炽欣.风电场风力发电机组塔架基础设计研究［J］.电网与清洁能源，2008，24（3）：45－49.

［2］周金海.复杂地质条件下风机塔筒基础设计［J］.上海电力，2007（4）：389－392.

［3］风电机组地基基础设计规范（试行）［S］.FD003－2007.

［4］宫靖远，等.风电场工程技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2007：200－207.

［5］混凝土结构设计规范［S］.（GB50010－2010）

［6］郑山锁，杨 勇，等.型钢混凝土粘结滑移性能研究［J］.土木工程学报，2002.

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